Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

Екологія

§ 12. Екологія як наука

Екологія — комплексна наука про взаємодію живої й неживої природи та людства

Тривалий час природодослідників цікавили організми, їхня будова, функціонування та різноманіття. І лише у XIX ст. учені почали приділяти увагу взаємодії організмів із їхнім оточенням. Усі знання в цій галузі згодом об'єднала екологія1 — біологічна наука про взаємодію організмів і їхніх угруповань між собою та з навколишнім середовищем. Часто в побуті можна почути про «погану екологію», «вплив екології на людей», коли термін «екологія» вживається в значенні «навколишнє середовище» чи навіть «чистота навколишнього середовища». Таке використання терміна є некоректним. Варто пам'ятати, що екологія — це наука, а довкілля — один із об'єктів її дослідження.

Останнім часом у поняття «екологія» почали включати й вивчення проблем впливу людини на довкілля, ефективного використання та охорони навколишнього середовища. Питання взаємодії людини, суспільства й природи наразі актуалізувалися тому, що в другій половині ХХ ст. стало зрозумілим, що людство є найпотужнішою екологічною силою в природі. Таке розширення робить екологію надзвичайно об'ємною, міждисциплінарною наукою. Утім, більшість зарубіжних науковців уважає, що ці питання є предметом вивчення окремої галузі — науки про довкілля (environmental science). У вітчизняній практиці ними займається прикладна екологія (рис. 12.1). Зрозуміло, що вона використовує знання класичної, або біологічної, екології, але ґрунтується й на здобутках наук про Землю, фізики, хімії, соціології, гігієни тощо. Об'єднання біологічної та прикладної екології утворює сучасну екологію, або панекологію, що вивчає будову, функціонування й взаємозв'язки багатокомпонентних систем із елементів живої й неживої природи та діяльності людини.

Рис. 12.1. Структура сучасної екології

Екологія вивчає взаємовпливи організмів і довкілля

Далі в цьому розділі, говорячи про екологію, ми матимемо на увазі класичну (біологічну), що досліджує взаємодію організмів між собою та з довкіллям. Відповідно, об'єктами її вивчення є живі організми та їхні групи: популяції, екосистеми, біосфера.

Крім того, виділяють спеціальні підрозділи екології, об'єктами вивчення яких є визначені систематичні групи організмів: екологія мікроорганізмів, рослин, тварин, грибів. Також її об'єктами є організми певного середовища: гідробіологія досліджує екологію гідробіонтів, а ґрунтова біологія — організмів ґрунту.

1 Від грец. oikos — дім і logos — учення.

Рис. 12.2. Об’єкти (зелені кола) й предмети (стрілки) вивчення екології

Але організми та їхні угруповання не існують ізольовано, а постійно взаємодіють із іншими організмами й угрупованнями. Також вони зазнають впливу й багато в чому залежать від неживих компонентів навколишнього середовища, і при цьому самі на них впливають (згадайте закон єдності організму й середовища його мешкання). Ці процеси взаємовпливу, зв'язки між організмами, угрупованнями й середовищем якраз і є предметом вивчення екології. Саме вони визначають структуру й принципи функціонування організмів і надорганізмових біологічних систем, які також досліджує екологія (рис. 12.2).

Знаючи, що вивчає біологічна екологія, легко зрозуміти її основні завдання. Головним завданням екології є вивчення взаємозв'язків між живою й неживою природою. Також екологія, як наука надорганізмового рівня, займається дослідженням популяцій, угруповань, екосистем і біосфери з огляду на їхню організацію, закономірності функціонування, принципи розвитку. Прикладна екологія додала до цих завдань ряд своїх, таких як вивчення взаємовпливу суспільства й природи та гармонізація відносин між ними. І оскільки людство стало основною екологічною силою нашого часу, але водночас залишається залежним від ресурсів, джерелом яких є біосфера, то останні питання будуть найбільш актуальними в сучасній екології.

Для екологічних досліджень застосовують різноманітні методи

Класична екологія є біологічною дисципліною, тому для вирішення поставлених завдань використовує звичні для неї методи спостереження й опису та порівняння. Для того, щоб порахувати живі організми, їх відловлюють за допомогою пасток або знімкують завдяки фотопасткам і, за потреби, мітять (рис. 12.3). Спостереження часто пов'язані з кількісними розрахунками, оскільки досліджується не один організм, а їх сукупність. Також значна кількість екологічних впливів може бути кількісно виміряною (наприклад, температура, солоність води тощо). Унаслідок спостереження накопичуються великі масиви даних, для аналізу яких застосовують математичні методи статистичної обробки.

Рис. 12.3. Пристрої, що використовуються для екологічних спостережень

A. Фотопастка робить знімки, коли гомойотермна тварина певного розміру потрапляє в її поле зору. Б. Мініатюрний GPS-датчик на грудях у бджоли дозволяє відслідковувати її переміщення.

Рис. 12.4. Екологічні моделі

A. Математична модель Лотки-Вольтерри для системи «хижак-жертва» заснована на двох диференційних рівняннях і описує коливання чисельності популяцій із часом. Б. Комплекс «Біосфера-2» моделює умови різних природних зон Землі.

Експериментальні методи не поширені в екології. Річ у тім, що об'єкти надорганізмового рівня — популяції, екосистеми й біосфера — займають великі території. Наприклад, щоб дослідити, як впливає кількість вовків на кількість зайців у лісі, потрібно привести звідкись до лісу чи вилучити кілька сотень нових вовків. А збільшити температуру в усьому лісі чи змінити склад повітря взагалі не видається можливим. Також умови в природі постійно змінюються й неможливо достовірно стверджувати, що зміни біологічної системи в процесі експерименту є наслідком впливу експериментатора, а не якогось неврахованого фактора. Тому провести дослід у польових умовах складно, а перенести популяцію чи екосистему до лабораторії найчастіше неможливо. Замість дослідів екологи використовують моделювання. Математична чи лабораторна модель є спрощеним відображенням природної системи (рис. 12.4). Завдяки ній легше проаналізувати процеси, що відбуваються в біологічній системі, та її реакцію на різноманітні впливи.

Крім загальнобіологічних, є й специфічні для екології методи дослідження. До таких належить метод екологічної індикації. Його суть полягає у використанні видів-індикаторів для визначення стану екосистеми й процесів у ній (рис. 12.5). Життєдіяльність і поширення цих видів змінюються за зміни параметрів екосистеми. При цьому види-індикатори повинні бути чутливими до змін, доступними та зручними для аналізу. Лишайники є гарними індикаторами чистоти повітря: деякі з них потребують для життя надзвичайно чистого повітря, інші виживають і в забрудненому середовищі. Тому, вивчивши різноманіття видів лишайників певної території, можна визначити там і відносну чистоту повітря. У такий же спосіб для визначення чистоти води використовують одноклітинні організми, молюсків, личинки комах, рослини тощо.

Рис. 12.5. Види-індикатори

A. Інтенсивне розмноження ціанобактерій спричиняє «цвітіння» водойм, забруднених фосфоровмісними добривами й мийними засобами. Б. Личинки волохокрильців здатні розвиватися лише в чистій воді. В. Хвощ польовий є індикатором кислого ґрунту.

Також екологи застосовують метод екологічного моніторингу. Для його реалізації на певній території проводять постійне спостереження за змінами факторів живої й неживої природи. Наприклад, щодня відбирають проби води чи повітря, аналізують зміни температури, кількості організмів чи їхньої активності. До речі, часто об'єктами екомоніторингу є якраз види-індикатори. Останнім часом у екологічному моніторингу почали застосовувати інформацію, отриману космічними супутниками чи дронами. У результаті тривалого спостереження формується база даних змін параметрів середовища, що дозволяє проаналізувати взаємовпливи й реакції біологічних систем на ті чи ті зміни. Наприклад, завдяки моніторингу можна визначити, як залежить кількість видів гідробіонтів у прибережній зоні моря від температури води, напрямку течії й вітру чи обсягів надходження міських стічних вод.

Екологія використовує знання інших наук

Оскільки предметом вивчення екології є зв'язки між живою й неживою природою, то наукова спільнота в галузі екології у власних дослідженнях послуговується відомостями як із біологічних наук, так і з наук про неживу природу. Особливе значення в екології мають відомості з наук про Землю (географії, ґрунтознавства, кліматології, океанології тощо), бо все живе взаємодіє з довкіллям, вивченням якого вони якраз і займаються. Під час використання математичних моделей екологам доводиться орієнтуватися й у математичних закономірностях. Прикладна екологія вимагає знань із багатьох технічних і суспільних дисциплін, оскільки їй доводиться вивчати впливи цивілізації на довкілля та навпаки. Ба більше, із виходом людини в космос виникла навіть галузь космічної екології!

З іншого боку, екологічні знання потрібні при вивченні процесів еволюції, адаптацій організмів, їхньої поведінки й фізіології. Також вони заклали підвалини раціонального природокористування — ефективного використання природних ресурсів, яке завдає мінімальної шкоди екологічному балансові природи. Тому економічні й політичні дисципліни часто потребують відомостей із екології (і, на жаль, подекуди спекулюють ними). Отже, можна впевнено стверджувати, що сучасна екологія стала містком між природничими, економічними, суспільними й технічними галузями знань.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Укажіть твердження, у якому слово «екологія» вжито некоректно.

  • А серед навчальних дисциплін екологія набуває все більшої популярності
  • Б у селах біля сміттєвих полігонів забруднена екологія
  • В дослідження в екології часто стикаються з браком коштів
  • Г політики маніпулюють громадською думкою, користуючись неосвіченістю в галузі екології

• 2. Проаналізуйте твердження про зв'язок екології з іншими науками та оберіть правильні.

І. Методи статистичної обробки екологічних даних засновані на математичних операціях. ІІ. Дані екології використовують під час розробки природоохоронного законодавства.

  • А жодне із тверджень не є правильним
  • Б обидва твердження правильні
  • В правильне лише І
  • Г правильне лише ІІ

• 3. Оберіть біологічну систему, що є об'єктом вивчення екології.

  • А беркут
  • Б листок клена
  • В дихальна система сірого щура
  • Г мітохондрія

• 4. Одним із завдань екології є

  • А розроблення шляхів збільшення впливу людської діяльності на природу
  • Б дослідження способів регуляції функціонування клітин організму
  • В встановлення закономірностей змін у популяціях
  • Г удосконалення методів навчання задля покращення екологічної обізнаності

• 5. Увідповідніть метод екологічних досліджень і його приклад.

  • 1 моніторинг
  • 2 екологічна індикація
  • 3 моделювання
  • 4 спостереження
  • А використання інфрачервоної камери для визначення видів сов у парку
  • Б вивчення наявності чутливих до забруднення повітря видів лишайників навколо заводу
  • В використання акваріума з рибами для дослідження швидкості розмноження ціанобактерій
  • Г щомісячне визначення співвідношення самок і самців коропа в Канівському водосховищі

У житті все просто

• 6. Для кожного з основних об'єктів екології (організм, популяція, екосистема, біосфера) придумайте екологічне дослідження. Визначте предмет і завдання запропонованих вами наукових робіт.

• 7. На конкретних прикладах доведіть, що екологія використовує знання інших природничих наук.

У житті не все просто

• 8. Знайдіть інформацію про випадки екологічного невігластва, що спричинило значні негативні наслідки для людини чи природи. За її допомогою спробуйте переконати однокласниць і однокласників у необхідності екологічних знань у житті кожної людини.